Развитие научных принципов создания функциональных материалов для преобразования и накопления энергии на основе сложных оксидов

Основной целью научного исследования является развитие научной базы для направленного синтеза материалов с заданными функциональными характеристиками. Объектами исследования выступают твердофазные сложнооксидные соединения с кристаллической структурой, включающие различные виды дефектов, как в электронной подсистеме, так и на атомарном уровне. Для достижения основной цели исследования будет реализован комплексный подход, включающий хорошо апробированные теоретические, а также экспериментальные методики, которые позволяют получить исчерпывающую информацию о взаимосвязи химического состава новых материалов с функциональными характеристиками и дать уверенный прогноз о перспективах исследуемых объектов. Кроме того, такой подход позволит предлагать дальнейшие пути оптимизации свойств исследуемых соединений, выделяя новые химические составы для создания материалов, используемых в качестве ключевых функциональных компонентов в технологиях конверсии и сохранения химической и тепловой энергии. Отдельной целью научного исследования является разработка оксидных материалов термобарьерных покрытий для устройств, работающих при повышенных температурах, что позволит существенно увеличить ресурс и также расширить номенклатуру возможных практических приложений. На данный момент повышение эффективности преобразования химической энергии углеводородного топлива, например метана, непосредственно в электричество представляет собой важную задачу научно-технического характера. Одним из наиболее эффективных способов решения данной проблемы является применение высокотемпературных электрохимических конвертеров – твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Данные устройства включают три основных функциональных компонента: топливный электрод (анод), где происходит окисление газообразного топлива, твёрдая газоплотная мембрана с кислородной и/или протонной проводимостью, и воздушный электрод (катод), который находится в непосредственном контакте с воздухом. По сравнению с традиционными технологиями выработки электроэнергии ТОТЭ обладают целым рядом преимуществ, включающих возможность работы на различных видах топлива: водороде, простых углеводородах, синтез-газе, спиртах и т.д. В настоящее время перспективным направлением развития ТОТЭ является использование протонпроводящего оксида в качестве материала газоплотной мембраны, обладающего высокой эффективностью при температурах от 400°С. Такая конфигурация топливного элемента, в отличие от классических ТОТЭ, включающих мембраны исключительно с кислород-ионной проводимостью, позволяет получать воду в катодном полупространстве, что способствует существенному упрощению конструкции. Кроме того, повышенная подвижность протонов обеспечивает снижение рабочих температур таких устройств, что благоприятно сказывается на долговременной стабильности ТОТЭ. Тем не менее, коммерциализация ТОТЭ с протон-проводящими электролитами (ППЭ ТОТЭ) пока что является отдаленной перспективой, в том числе из-за отсутствия подходящих материалов для функциональных компонентов, а именно топливного и воздушного электродов, а также материала самой твердотельной мембраны. Совершенные электродные материалы для ППЭ ТОТЭ помимо оптимальных электрокаталитических и термомеханических свойств должны обладать “тройной” проводимостью – кислород-ионной, электронной и протонной. Достоверное экспериментальное определение последнего вклада до сих пор является проблематичным. Тем не менее, широко признается тот факт, что наличие протонной проводимости тесно связано с явлением обратимой гидратации – равновесного поглощения воды кристаллической решеткой оксида. При этом считается, что многие хорошие “двойные” проводники с кислород-ионной и электронной проводимостью могут быть также перспективны в качестве “тройных”. Важным функциональным элементом, обеспечивающим эффективное взаимодействие электродов с газовой фазой, является скорость обмена кислородом и/или водородом, а также параметры диффузии в объеме материала. Таким образом, успешная разработка новых функциональных материалов должна включать совокупность методик, в полной мере раскрывающих природу формирования и переноса заряда в объеме и на поверхности химических соединений, а также характер их взаимодействия с компонентами газовых сред.